Doba naprednih materijala: Cerablak, k-Core, Pyrograf-III ...   

Materijali koje koristimo u građevinarstvu, izradi transportnih sredstava, alata i oružja su toliko bitni za naše postojanje da su istoričari po njima nazvali određene istorijske periode:
- kameno doba,
- bronzano doba,
- gvozdeno i
- čelično doba

Sa izumom keramičkih i ugljeničnih vlaknastih kompozita i ugljeničnih nanovlakana koji mogu da se upotrebe kao tanki filmovi i prevlake na (i unutar) stotinama različitih podloga sposobnost izrade elemenata koji mogu da provode elektricitet i podnesu visoke temperature u korozivnim sredinama dramatično je poboljšana. Kao posledica, jednog dana u budućnosti u školama će se možda govoriti i o Dobu naprednih materijala. U ovom tekstu iznećemo kratak istorijat i karakteristike nekoliko naprednih materijala, koji su kod nas relativno slabo poznati. Jedan od razloga za to je i uopšteno spor razvoj tržišta za ovakve materijale čija je početna proizvodnja prilično skupa.


Cerablak

Novi visoko-temperaturni amorfni oksidni materijal Cerablak je otkriven sasvim slučajno, baš kao i neki danas veoma poznati i rasprostranjeni materijali (Kevlar, Teflon). Krajem 1997. godine, eksperimenti sa različitim smešama za keramičke kompozitne matrice u laboratoriji kompanije Applied Thin Films iz Evanstona, u američkoj saveznoj državi Ilinoj, proizveli su materijal sačinjen od aluminijuma, fosfora i kiseonika. Pokazalo se da se materijal može upotrebiti kao mikronska (mikron = milioniti deo metra) prevlaka na različitim podlogama, koja bez kristalizacije ili degradacije podnosi temperature do 1200 stepeni celzijusa. Uz to, prevlaka je sjajno prianjala za podlogu, potpuno je i hermetički zatvarajući. Slabost većine drugih keramičkih prevlaka je upravo krtost tokom ciklusa zagrevanja i hlađenja i slaba zaštita na povišenim temperaturama. Kompanija Applied Thin Films nazvala je svoje otkriće Cerablak, jer su istraživači primetili da ugljenične nečistoće koje zaostaju u rastvoru organskog prekursora, nakon zagrevanja na 1100 stepeni celzijusa daju materijalu sjano-crnu boju. Na ovaj način je primećena i jedna veoma značajna osobina materijala: niska difuzivnost.

Dok tokom zagrevanja ugljenik nije uspeo da izađe iz materijala, kiseonik nije uspeo da uđe u njega. Osobine prevlake su takve da se može upotrebiti za zaštitu materijala u oksidativnim atmosferama u uslovima visokih temperatura.

Dalje ispitivanje pokazalo je da Cerablak ne mora da bude crn. Modifikacijama jeftinog prekursora, Applied Thin Films sintetisala je “beli” Cerablak, koji je zadržao sve osobine “crnog”. Tanki filmovi Cerablaka su kontinualni, gusti, jednoobrazni i providni. Pored otpornosti na povišene temperature i korozivnu sredinu, Cerablak nudi još nekoliko važnih prednosti. Materijal obezbeđuje potpuno, hermetičko zatvaranje podloge kod kontinualnog pokrivanja i potpuno je lišen defekata. Jednostavan je za pravljenje i lako se nanosi prskanjem ili nanošenjem rastvora na podlogu ili čak uranjanjem podloge u rastvor. Na kraju, Cerablak se može obrazovati kao nanokompozit u kojem se nanokristalne inkluzije stvaraju na licu mesta i zatvorene su u amorfnoj matrici. Inkluzije Cerablaka mogu indukovati ili poboljšati hemijske, optičke, fizičke, termičke i mehaničke osobine materijala. Cerablak se može primeniti na staklu, metalu ili drugim keramičkim kompozitima. Visoka termička otpornost čini ga pogodnim za oblaganje zaštitnih pločica za svemirske letelice ili raketne mlaznike, a potencijal inkluzije čini ga pogodnim za fotoničke primene. Hidrofobne karakteristike mogu poslužiti kao osnova za primenu u mnogo prizemnije svrhe, kao što je izrada prozora koji se sami čiste.


k-Core

Ploče sa strujnim kolima izložene su znatnom zagrevanju. Nova kombinacija materijala nazvana k-Core hladi se pet puta bolje od aluminijuma iste mase. Radi se o visoko-tehnološkom sendviču: zaštitni materijal (legura aluminijuma ili ugljenična vlakna) zatvara supstancu koja čini unutrašnje jezgro (kaljeni pirolitički grafit ili KPG). Unutrašnje jezgro, zalepljeno epoksidom ili zalemljeno za ploču sa strujnim kolom, ima zadatak da udaljava toplotu. Radi komercijalizovanja materijala osnovana je 1994. godine u Fort Vašingtonu, američkoj saveznoj državi Pensilvanija, kompanija kTechnology Corporation (kTC). Formula za uspeh kompanije kTC je jednostavna: k-Core se može namenski modifikovati u cilju dobijanja veoma specifičnih termičkih karakteristika po zahtevu i to sa malom količinom materijala. Zaštitna obloga obezbeđuje čvrstinu, provodljivost, nisku degazaciju i nizak koeficijent termičke ekspanzije. KPG obezbeđuje provodljivost. Zajedno, jezgro i zaštitna obloga se ponašaju kao jedan materijal. Debljina k-Core ploče može da bude manja od jednog centimetra, čime se zauzima manje prostora nego sa alumijumom. Dodavanjem više KPG unutrašnjem jezgru raste toplotna provodljivost uz mali porast mase i dimenzija. Ipak, k-Core je još uvek oko tri puta skuplji od aluminijumskih obloga, pa je novi materijal najprikladniji za primenu gde su zahtevi za masom i pouzdanošću stavljeni ispred budžetskih ograničenja. Kompanija kTC je već prodala rešenja k-Core tipa aviosvemirskim kompanijama, koje ih koriste za satelite, letelice i vojnu ili industrijsku primenu.

Pyrograf-III

Stara tehnologija sa novim rezultatom: ugljenična vlakna nagrađena iz parne faze. Prečnik vlakana: 100 do 200 nanometara (nanometar = milijarditi deo metra). Još početkom osamdesetih godina prošlog veka otkrivena je korisna osobina ugljeničnih vlakana da kao aditivi poboljšavaju električnu provodljivost polimera. Prednost ugljeničnih nanovlakana nagrađenih iz pare je dvostruka: ne narušavaju druge osobine polimera i zauzimaju svega 5 do 20 procenata zapremine koju bi zauzeli drugi aditivi. Uz to, toplotna provodljivost ugljeničnih nanovlakana je više od pet puta veća od provodljivosti bakra. Vlakna ove vrste takođe poseduju veliku mehaničku jačinu, koja ih jednog dana može postaviti na mesto metala ili fiberglasa. Ugljenična nanovlakna mogu se pripraviti u bilo kojoj solidno opremljenoj laboratoriji postavljanjem aparature koja omogućava uspostavljanje kontakta između katalizatora za gasnu fazu i zagrejane ugljovodonične atmosfere.

Upravo na ovaj način startovala je i kompanija Applied Sciences Inc. (ASI) is Kedarvila, u američkoj državi Ohajo. Tri čoveka - naučnika napravila su par kilograma nanovlakana za istraživačke potrebe. Kompanija je danas osposobljena za godišnju proizvodnju 35 tona ugljeničnih nanovlakana i nada se izgradnji postrojenja sa kapacitetom od preko 1000 tona godišnje. Ono po čemu se kompanija ASI razlikuje od konkurencije jeste da je uspela da podigne proizvodnju sa laboratorijskog nivoa na poluindustrijski. Kompanija je patentirala više inovacija, od kojih je jedna iznenađujuća: ugalj sa visokim sadržajem sumpora je idealna sirovina za proces. Umesto da ovako "loš" ugalj sagori kao gorivo, ASI je savladala proces u kojem se ugalj može upotrebiti za proizvodnju ugljeničnih nanovlakana i korisnih nuzproizvoda: vodonika i letećeg pepela sa malim sadržajem ugljenika.

Sa današnjom cenom od 170 dolara po kilogramu, ugljenično nanovlakno je još uvek preskupo za sve osim najegzotičnijih primena. Sa cenom od 20 dolara po kilogramu, nanovlakna bi postala veoma zanimljiva za automobilsku i elektronsku industriju. Sa cenom od 6 dolara i manje po kilogramu, vlakna bi bila interesantna kao aditiv za ojačanje betona ili strukturni ili električni aditiv za automobilske gume.

Nakon što je privukla dobre investicije od američkog ministarstva odbrane i Avijacije, ASI je ujedinila snage sa kompanijama General Motors, Goodyear Tire & Rubber Co i drugima u kooperativnom istraživačkom sporazumu koji je dobio finansije od Programa za naprednu tehnologiju američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju. Godine 2000, Pyrograf Products, Inc., kompanija kćerka ASI, izgradila je pilot postrojenje za godišnju proizvodnju 35 tona ugljeničnog nanovlakna registrovanog pod nazivom Pyrograf-III. Krajnji cilj ASI je puna proizvodnja. Sa današnjom cenom od 170 dolara po kilogramu, ugljenično nanovlakno je još uvek preskupo za sve osim najegzotičnijih primena. Sa cenom od 20 dolara po kilogramu, nanovlakna bi postala veoma zanimljiva za automobilsku i elektronsku industriju. Sa cenom od 6 dolara i manje po kilogramu, vlakna bi bila interesantna kao aditiv za ojačanje betona ili strukturni ili električni aditiv za automobilske gume. Više potencijalnih primena, veći proizvodni kapacitet i niža cena značili bi rast zanimanja za ovaj proizvod koji poseduje potencijal uspostavljanja cele nove industrije sa prednostima za potrošače i proizvođače uglja.

Oliver Terzić

Fajteru da sam ja ovo napisao ne bi bolje ispalo. A ja se uporto dvoumim da turim spisak raznih materijala... kao da ne davim narod. Lepo.